基于無線接入點的 WLAN網絡成本優化

陳然 令曉明

(蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著 3G網絡的不斷發展,不同網絡中的各種移動通信技術也得到了廣泛的研究與關注[1-5]。如對算法[3],功率控制[5]的研究以及對實際業務中出現的問題進行分析并提出改進[4]。其中,網絡優化是移動通信網絡技術中重要的組成部分。隨著用戶數的增長新業務不斷的增加,通信網絡面臨著持續優化的問題。在整個網絡優化中,網絡成本是一個重要的優化目標。電信產業的成本主要包括在網絡建設方面的投資及網絡運行維護方面的費用,由于每個基站的建設費用通常是固定的,因此,若要使網絡的成本最小化則可以選擇優化網絡的(覆蓋或容量)技術指標來實現。無線局域網(WLAN)的網絡優化是一個復雜的配置過程并且也應是一個自動規劃的過程,主要涉及自動蜂窩小區規劃(ACP)及自動頻率規劃(AFP)[6]。首先通過均衡 WLAN中無線接入點(AP)的業務負載,以實現 AP的優化接入,進而分析在不滿足業務質量要求下WLAN網絡的成本。

1 AP的定位

為了實現WLAN的無縫覆蓋,需要對 AP的定位及接入選擇進行合理的布置。如果AP間的覆蓋發生重疊則會產生干擾[7-8]。另外,如果設置過多的AP還會造成設備及安裝費用的投資浪費。

1.1 網絡設計步驟

①首先產生一個業務區域地圖：一個業務區域地圖可以劃分成許多小型目標用戶簇,每個簇內包含個數不等的用戶;②設置候選 AP：候選 AP必須考慮到所需功率及安裝費;③產生信號電平值地圖;

④從一系列的候選 AP位置中選擇出最佳的 AP位置：綜合 AP的信號電平值及業務區域地圖找出最佳的AP位置使其既能滿足質量需求又能滿足網絡容量需求.通過減小 AP的阻塞值,平衡業務負載,以增加網絡的容量。

1.2 AP的接入選擇

AP的設置應位于熱點區域(靜態熱點區域)。如果 AP的設置遠離目標簇會導致信號質量差等情況的出現。

依據信號電平地圖,當目標簇處接收到的信號電平值大于給定的門限值 -80 dBm時,則認為該目標簇被接入 AP。如表 1所示。

表 1 大于信號電平閾值要求的AP接入選擇

2 AP成本最小化

業務負載平衡對 AP的選擇是至關重要的,這是因為分配給用戶的業務負載會影響到網絡的吞吐量。通過最小化網絡的負載阻塞值可以獲得較好的帶寬使用率,實現 AP的優化接入選擇。在 AP接入情況下分析是否發生業務損失,如發生損失則要記入產生的損失費用。

WLAN網絡成本優化的目標函數：

其中,ui是決定變量。式(1)說明整個網絡的成本除包括與AP有關的任何費用外還包括當質量不滿足的情況下由業務負載損失所產生的費用;式(2)說明每個目標簇要唯一的接入一個 AP;式(3)Zj是AP的阻塞值,通過最小化阻塞值可確定目標簇與 AP的最終接入;式(4)說明當目標簇與 AP相連時服務質量得到滿足則認為沒有損失費用,否則產生的損失費用應計入整個網絡的成本函數中。具體的參數設置如下述。

L目標簇的總數;M候選AP的總數,其中目標簇唯一的接入一個 AP;sij與第 j個 AP相連的的第 i個目標簇的信號電平值;dij第 i個目標簇與第j個 AP相連,當 dij=1時說明目標簇與 AP相連,否則認為目標簇與 AP未相連 cj第 j個 AP的費用(與AP有關的任何費用);β1 kb/s吞吐量損失的經濟費用,設 β=100 RMB。

Δt在 AP處所需的下行鏈路比特速率與系統所提供的比特速率,Δt=-Di其中為網絡實際所提供的下行比特速率,Di目標簇所需的比特速率。當 Δt≥0時表明目標簇的服務質量可以得到滿足,否則認為目標簇的服務質量無法得到滿足。

3 模型的應用

現以一棟寫字樓為例,說明通過對網絡中 AP的優化布置可以實現整個WLAN網絡成本的優化。業務區域圖如圖 1所示,共 12個目標簇 8個 AP點分布于整棟建筑物內其中Di代表第i個目標簇,目標簇代表樓內的熱點區域(可以為會議室,休息室,實驗室,辦公室及教室等)。簇內的用戶數從 1到 10等并設每個用戶的速率為 200kb/s則每個簇內的用戶速率如表 2所示。

圖 1 業務區域圖及信號電平

本文使用LINGO規劃軟件[9]解決優化問題。通過平衡負載,最小化 AP的阻塞值,可以實現目標簇在選擇接入 AP時不是接入離其距離最近的AP而是選擇那些可以為其提供較小信號速率但仍可滿足服務質量的AP(可提供較寬帶寬)如表 3所示。圖 2顯示了每個目標簇的接入選擇,其中 D12未被接入到任何一個AP中。經過對AP接入的優化后,再分析目標簇的服務質量是否得到滿足,如不滿足則要計算業務損失的費用。表 4顯示了最終各個簇的服務質量滿足情況。

圖 2 12個目標簇與 8個 AP的優化接入選擇

表 2 每個目標簇所需的比特速率(kb/s)

表 3 達到最小阻塞值要求的AP接入選擇

表 4 目標簇服務質量滿足情況

由表 4可知目標簇 3,4,5及目標簇 6從各自相連的 AP處未能滿足服務質量要求。最終,WLAN網絡成本優化的最小費用為 361 500RMB。

4 結語

通過對 WLAN中 AP的優化接入選擇,使目標簇內的用戶不必選擇離其距離最近的AP而是選擇能為其提供較小信號功率電平但仍大于信號電平閾值的 AP。并進一步分析在已接入的情況下服務質量是否得到滿足,如不滿足則要計入網絡成本中。并舉例說明了通過對負載平衡可以實現WLAN網絡成本的優化。但在實際使用的環境中是非常復雜的,多種接入方式并存(如蜂窩系統與 WCDMA,TD-SCDMA等 3G網絡并存)這就需要在進行WLAN網絡成本的優化時不僅需要考慮業務負載的均衡還需要考慮在多種接入方式間的切換問題。

[1]張芳,蔣秦芹.無線局域網安全機制增強技術的研究[J].通信技術,2008,41(05)：121-123.

[2]蔣青,魯艷.基于 WLAN的 VoIP終端移動性管理[J].通信技術,2007,40(08)：116-117.

[3]王明悅,李建勇,胡捍英.一種改進的 WCDMA系統小區搜索算法[J].通信技術,2008,41(01)：66-68.

[4]周小平,黃登山.WCDMA系統中 PS掉話的一種原因分析及改進措施[J].通信技術,2007,40(12)：46-48.

[5]李慶,梁云,胡捍英.WCDMA系統中功率控制的研究[J].通信技術,2008,41(02)：71-73.

[6]ALEXANDRE GONDRAN,ALEXANDRE CAMINADA,JULIED FONDREVELLE,et al.Wireless LAN Planning：a Didactical Model to Optimize the Cost and Effective Payback[J].Int.J.Mobile Netowrk Design and Innovation,2007,2(01)：12-25.

[7]AMIT P J,KRISHMA N R,Kevin C A,et al.Understanding Congestion in IEEE802.11b Wireless Networks[DB/OL].(2010-02-08)[2005-07-14].http：//www.altavista.com.

[8]SANCHEZ-GONZALEZ J,SALLENT O,PEREZ-ROMERO J.On Managing Dynamic Traffic Hotspots in WCDMA Networks[DB/OL].(2010-02-30)[2006-06-21].http：//www.altavista.com.

[9]INC L S.LINGO[DB/OL].(2010-02-05)[2007-08-03].http：//www.lindo.com.